(57)【要約】【課題】液晶空間の液晶分子を配位させて階調を一旦表示させると、その後は液晶空間を挟む一対の電極間に電圧信号を印加しなくても、液晶分子の配向状態を保持して、表示させた階調を維持できる、表示メモリ性を有する液晶装置を提供する。【解決手段】後方基板１と前方基板２との間に多数の細孔６を形成した中間層３が挟み込まれ、細孔６内には液晶８が充填されている。制御部２０は、共通電極９と表示電極１２との間に数１０Ｈｚの交流電圧を印加してプレーナ配向状態をチルト配向状態に移行させ、６ｋＨｚ以上の交流電圧を印加してチルト配向状態をプレーナ配向状態に移行させる。所望の階調を表示させた後に共通電極９と表示電極１２との電位差を無くしても、次回の書き込みまで画素１１の階調表示が維持される。【選択図】図１
2007114623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の細孔を有する中間層と、
前記中間層を挟んで配置された一対の封止基板と、
前記中間層の厚み方向に対向して前記細孔内の空間に電界を形成する一対の電極と、
前記細孔に充填された液晶と、を備えた液晶装置において、
前記細孔の内壁面は、前記細孔の内壁面に沿って前記液晶の分子の長軸方向を回転可能としつつ前記液晶分子を前記内壁面に拘束する表面性状を有し、
前記一対の電極に交流電圧信号を印加して、前記細孔内の空間に前記中間層の厚み方向の交流電界を形成する制御手段を備えたことを特徴とする液晶装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記交流電圧信号を印加した後に前記一対の電極の電位差を等しくすることを特徴とする請求項１記載の液晶装置。
【請求項３】
前記制御手段は、所定の周波数を越える周波数の前記交流電圧信号と、前記所定の周波数に満たない周波数の前記交流電圧信号とを前記一対の電極に印加することを特徴とする請求項１または２記載の液晶装置。
【請求項４】
多数の細孔が形成された中間層と、
前記中間層を挟んで配置された一対の封止基板と、
前記細孔に充填された液晶と、を備えた液晶表示媒体において、
前記細孔の内壁面は、前記細孔の内壁面に沿って前記液晶の分子の長軸方向を回転可能としつつ前記液晶分子を前記内壁面に拘束する表面性状を有することを特徴とする液晶表示媒体。
【請求項５】
前記細孔は、円形、楕円形、または多角形の開口を有して、前記中間層を厚み方向に貫通していることを特徴とする請求項４記載の液晶表示媒体。
【請求項６】
前記細孔は、前記開口の縦横比率を異ならせ、前記封止基板の平面の１つの方向に長径方向を揃えて形成されていることを特徴とする請求項５記載の液晶表示媒体。
【請求項７】
前記細孔は、観察側の開口面積が反対側の開口面積よりも大きく、前記厚み方向のテーパ形状を有することを特徴とする請求項５または６記載の液晶表示媒体。
【請求項８】
液晶分子の長軸方向を内壁面に沿って回転可能にしつつ前記液晶分子を吸着する前記内壁面を有する貫通孔に液晶を充填し、前記液晶に対して前記貫通孔の貫通方向に交流電界を印加して、前記交流電界の周波数によって前記貫通孔内の前記液晶分子を、前記貫通方向の配向状態と前記貫通方向とほぼ垂直な方向の配行状態とに切り換えることを特徴とする液晶装置の駆動方法。
【請求項９】
透明電極が形成された透明基板上に金属薄膜層を形成する中間層形成工程と、
前記金属薄膜層の表面に多数の窪みを形成して陽極酸化処理を行うことにより、前記窪みごとの貫通孔を形成する中間層成形工程と、
前記貫通孔の内壁面に水平配向処理剤を塗布する中間層処理工程と、を備えることを特徴とする液晶装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、隔壁で仕切られた多数の液晶空間を、対向させた一対の電極間に配置した液晶装置に関し、詳しくは一対の電極間に交流電圧信号を印加して二値の階調を表示できる液晶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
印加した電圧信号に応答して液晶空間における液晶分子の配向状態を変化させて、階調表示を行う液晶装置が実用化されている。一般的な液晶装置は、内側面に透明電極を形成した一対のガラス基板を５μｍ程度の間隔で対向させ、対向間隔に液晶を充填して形成されている。一般的な液晶装置は、一対の電極間に電圧を印加した印加状態と、一対の電極の電位を等しくした無印加状態とで二値の階調を表示できる。
【０００３】
特許文献１には、対向する一対の電極間に多数の細孔（キャビティ）を形成した中間層を挟み込み、細孔に液晶を充填した液晶装置が示される。ここでは、テーパ形状の細孔の内壁から液晶分子を放射状に直立させるような配向処理を細孔の内壁面に施している。そして、一対の電極間に直流電圧を印加して、細孔内の液晶分子を中間層の厚み方向に配位させた状態と、一対の電極の電位を等しくして、細孔内の液晶分子を放射状に配位させた状態とで二値の階調を表示可能である。
【０００４】
このような液晶空間の構造と駆動方法とによれば、細孔の断面内の液晶の配位分布が断面中心に対し点対称であるために、このような液晶装置で構成したディスプレイの視野角は広く、見る方位に関係がないという利点がある。非特許文献１には、このようなサイズの細孔を精度高く形成する技術が示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２３２３９８号公報
【非特許文献１】Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００１１３，Ｎｏ．３，Ｆｅｂｒｕａｒｙ５，ｐ１８９−ｐ１９２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示される液晶装置を含めて、従来の実用的な液晶装置の大部分は、液晶空間の界面に施した配向処理によって界面における液晶分子の方向を一方向に拘束し、界面の液晶分子に対して弾力的に繋がる液晶分子の配向状態を直流電圧で撓ませることにより、階調の表示を行っている。そして、直流電圧を解除すると、液晶空間の液晶分子は、伸ばしたばねが元に戻るように元の配向状態に復帰する。従って、液晶空間に表示させた階調状態を維持するためには、伸ばしたばねを伸ばしたまま保持するように、同じ直流電圧を印加し続ける必要がある。
【０００７】
本発明は、液晶空間の液晶分子を配位させて階調を一旦表示させると、その後は液晶空間を挟む一対の電極間に電圧信号を印加しなくても、液晶分子の配向状態を保持して表示させた階調を維持できる、表示メモリ性を有する液晶装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の液晶装置は、多数の細孔を有する中間層と、前記中間層を挟んで配置された一対の封止基板と、前記中間層の厚み方向に対向して前記細孔内の空間に電界を形成する一対の電極と、前記細孔に充填された液晶とを備えた液晶装置において、前記細孔の内壁面は、前記細孔の内壁面に沿って前記液晶の分子の長軸方向を回転可能としつつ前記液晶分子を前記内壁面に拘束する表面性状を有し、前記一対の電極に交流電圧信号を印加して、前記細孔内の空間に前記中間層の厚み方向の交流電界を形成する制御手段を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の液晶装置では、界面の液晶分子が細孔の内壁面に吸着されて側部を内壁面に沿わせており、液晶分子が内壁面に寝た状態のまま、一対の電極間の電圧極性に応答して長軸方向を３６０度回転できる。そして、細孔内の液晶空間では、内壁面で寝た界面の液晶分子に繋がる液晶分子が界面の液晶分子を引き摺って回転させて、その長軸方向を制御している。
【００１０】
従って、一対の電極に直流電圧や低い周波数の交流電圧を印加した場合、細孔内の液晶空間には、電圧極性に応答して中間層の厚み方向に向きを揃えた液晶分子の配向状態が形成される。この配向状態は、界面を含めた液晶空間の液晶分子間にストレスを発生することなく形成されている。また、内壁面の拘束によって自由な運動が不自由な液晶分子にアンカー（錨付け）されて、温度上昇や外乱電圧に抵抗して配向状態を保持する安定状態となっている。従って、一対の電極間の電圧を解除しても配向状態がそのまま保持され、液晶空間によって表示される階調も変化しない。
【００１１】
一方、液晶空間の液晶分子が追従できないような高い周波数の交流電圧を印加すると、液晶分子が厚み方向と垂直な方向に配向しつつ振動して、界面を含む液晶空間の応力状態が最低となるような配向状態に移行する。すなわち、細孔の最大幅方向に長軸方向を揃えて、液晶空間の液晶分子に追従して内壁面液晶分子が配向する状態（図３参照）となる。そして、結果的に、細孔の横断方向に液晶分子を繋ぎ合わせて、内壁面の厚み方向に配向した液晶分子によってアンカーされた配向状態が形成される。
【００１２】
この配向状態もまた、界面を含めた液晶空間の液晶分子間に、別の配位へ向かうようなストレスを発生することなく形成されているので、一対の電極間の電圧を解除しても配向状態がそのまま保持される。従って、温度上昇や外乱電圧にも抵抗して、液晶空間によって表示される階調が変化しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態である液晶表示装置１００について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の液晶装置は、以下に説明する実施形態の構成部材とその配置とには限定されず、構成部材の一部または全部を同等な機能の別の構成部材によって置き換えた種々の実施形態として実施可能である。例えば、液晶表示装置１００とは電極配置や駆動回路が異なる液晶表示装置、電光掲示板、サインボード、画素表示を行わないセグメント表示装置、書き込みヘッドを通過して一方向走査書き込みを行う電子ペーパー、交流電界ペンで書き込みを行う電子黒板等である。
【００１４】
また、液晶表示装置１００は、バックライトで透過照明を行う透過型装置であるが、本発明は、反射電極を配置した反射型や半透過型の装置として実施してもよい。
【００１５】
また、液晶表示装置１００は、偏光板を組み合わせて液晶層の複屈折率の変化に応じた階調の表示を行うが、偏光板を使用しないで、液晶分子の配向状態の違いによる液晶空間の見かけの濃淡差を利用して表示を行ってもよい。
【００１６】
なお、特許文献１に示される液晶装置の一般的な構造、一般的な製造方法等については、本発明の趣旨と隔たりがあるので、一部図示を省略して詳細な説明も省略する。
【００１７】
＜液晶表示装置＞
図１は本実施形態の液晶表示装置における断面構成の説明図、図２は交流電圧駆動の説明図、図３は高周波数の交流電圧信号印加時の配向状態の説明図、図４は低周波数の交流電圧印加時の配向状態の説明図である。本実施形態の液晶表示装置１００は、ドットマトリクスを用いて白黒二階調の画像表示を行う電子掲示板である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の液晶表示装置１００は、透明な後方基板１と透明な前方基板２との間に、多数の細孔９が形成された中間層３を挟み込んで構成される。観察側に配置された前方基板２の内側面には透明な共通電極９が形成されている。
【００１９】
一方、照明側の後方基板１の内側面には画素１１、１４ごとの表示電極１２、１５が形成され、表示電極１２、１５下の層間絶縁層７には、スイッチング素子１３、１６が形成されている。共通電極９および表示電極１２、１５は、液晶８中を細孔６の中心軸方向に電圧を印加するための電極であって、後方基板１および前方基板２の中間層３に対向する表面上に酸化インジウム錫（ＩＴＯ）薄膜等を真空蒸着、スパッタリングなどで形成し作製する。
【００２０】
表示電極１２の大きさは画素単位に定められ、細孔６の口径は数十ｎｍ以上であればよく、複数の細孔６群上に一枚の表示電極１２が配置されて、一つの画素を構成する。
【００２１】
表示電極１２、１５およびスイッチング素子１３、１６はいずれも透明で、後方基板１の外側に配置された不図示のバックライトによる照明を妨げない。後方基板１と前方基板２のうち少なくとも１方は光透過性を有するガラス、或いはポリカーボネイト、アクリル（ＰＭＭＡ）等の透明プラスチック基板である。
【００２２】
中間層３は、アルミニウム蒸着薄膜から形成され、ハニカム構造に似た隔壁で仕切られて中間層３を貫通する細孔６を有する。画素１１、１４に対しては、それぞれ複数の細孔６が割り当てられ、細孔６内の空間には液晶８が充填されている。制御部２０は、スイッチング素子１３、１６を制御して、共通電極９と表示電極１２、１５との間に所定の交流電圧信号を印加することにより、細孔６内の液晶８の配行状態をチルト（ＴＩＬＴ）配向状態とプレーナ（ＰＬＡＮＡＲ）配向状態との間で２通りに変化させる。
【００２３】
後方基板１の外側面には、偏光板４が重ねられ、前方基板２の外面には、偏光板５が重ねられている。偏光板４、５は、細孔６内の液晶８の配行状態がチルト配向状態の場合とプレーナ配向状態の場合とで最大のコントラストを形成するように、相互の偏光面の傾きを設定してある。
【００２４】
図１を参照して、図２に示すように、制御部２０は、共通電極９と表示電極１２、１５との間に低い周波数の交流電圧信号を印加することにより、細孔６内の液晶８をチルト配向状態とする。また、高い周波数の交流電圧信号を印加することにより、細孔６内の液晶８をプレーナ配向状態とする。
【００２５】
図３に示すように、プレーナ配向状態は、細孔６の内壁面付近の一部の液晶分子が概ね細孔６の長軸方向に配向し、それ以外の液晶分子が概ね細孔６の長軸方向に対し垂直に配向する状態である。そして、プレーナ配向状態に対して、液晶分子の長軸が細孔６の中心軸方向に沿うような電界をある閾値以上の強度で与えると、図４に示すチルト配向状態に移行し、電界の印加を止めてもチルト配向状態を維持する。
【００２６】
図４に示すように、チルト配向状態は、細孔６内の液晶分子の全てが概ね細孔６の長軸方向に配向する状態である。そして、チルト配向状態に対して、液晶分子が回転して追従できないような高い周波数の交流電圧信号を印加すると、液晶分子の長軸方向を細孔６の中心軸方向に直行させるような電界をある閾値以上の強度で与えた場合と同様に、図３のプレーナ配向状態に移行し、電界の印加を止めてもプレーナ配向状態を維持する。
【００２７】
本実施形態において、細孔６の断面形状は、円形および楕円形、或いは３つ角部を備えた三角形、４つ以上の角部を備えた、即ち対角線を有する正方形状や六角形状を有している。
【００２８】
複数の細孔６（単一でもよい）は、後方基板１と前方基板２の間隙に挟持された中間層３を基板面垂直方向に貫通しており、細孔６の内壁面には、特徴的な水平配向処理が施されている。水平配向処理とは、液晶分子が内壁面の法線ベクトルに対して常に垂直、すなわち、液晶分子が内壁面に沿って寝るだけで、その長軸方向が３６０度のうちどこにも限定されないという条件を表す。例えば、通常の液晶表示装置の基板面に施される配向層から、液晶分子の長軸方向を拘束するためのラビング処理を省略したような界面条件である。このような配向処理がなされていれば、ネマチック液晶であれば、特に種類を限定することなく、図３、図４に示す双安定状態が得られる。
【００２９】
そして、これら２つの配向状態では、液晶分子の配向状態が大きく変化するので、液晶８自体でも透過率や反射率に違いが生じているが、偏光面の交差角度を適正に設定した偏光板４、５を重ねることにより、２つの配向状態における複屈折率差を利用したさらに高いコントラストの表示が可能となる。２つの配向状態のどちらを遮光／透光に割り当てるかは、偏光板４、５の偏光面の交差角度によって任意に設定できる。
【００３０】
本実施形態の液晶表示装置１００では、このように、一時的な電界の印加によって、配向角が異なり、光の透過率が異なる二つの安定状態間を行き来することができる。そのため電界を与え続けずに、画素１１、１４に所望の透過率を持続させることができ、消費電力の低い液晶表示装置として利用できる。言い換えれば、スイッチング時以外に電圧を印加する必要がなく消費電力の低い液晶表示装置として利用される。
【００３１】
＜中間層の製造方法＞
図５は正方形断面の細孔を有する中間層の製造方法の説明図、図６は別の断面形状の細孔の作製方法の説明図である。図５中、（ａ）は突起の配置、（ｂ）は陽極酸化による細孔の成長過程である。本実施形態の液晶表示装置１００は、後方基板１上に積層したアルミニウム薄膜を、非特許文献１に開示されている技術に基づき加工して細孔６を作製する。
【００３２】
図５の（ａ）に示すように、まず、電子ビームリソグラフィ技術を用いて、突起４１を配列させた炭化シリコンＳｉＣモールド４０を作成する。突起４１の配列の仕方は、作成する細孔６の断面形状によって決まる。正方形の細孔を作成したい場合は、突起４１を四角格子を形成するように配列させる。
【００３３】
最終的に作成される細孔６の形状は、突起４１を母点としたボロノイ（Ｖｏｒｏｎｏｉ）図形４２とほぼ一致する。ボロノイ図形４２とは、複数の母点があった場合に、ある領域に含まれる任意の点に最も近い母点が、その領域に含まれる母点であるという領域を示す図形である。突起４１は、細孔６の生成の開始点をも示している。
【００３４】
なお、図６の（ａ）に示すように、六角形の細孔６を作成する場合は、突起４１が六角格子を作成するように配列される。また、図６の（ｂ）に示すように、三角形の細孔６を作成する場合は、突起４１が三角格子を形成するように配列される。
【００３５】
次に、このような突起４１を配列させたＳｉＣモールド４０を、アルミニウム薄膜を形成した後方基板１の表面に油圧を用いて１６００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で押し付ける。この操作によって、アルミニウム薄膜の表面上には、図５の（ｂ）に示すように、ＳｉＣモールド４０上の突起４１による微小な凹み５１の配列が形成される。
【００３６】
次に、後方基板１のアルミニウム薄膜を、定電圧条件で５重量％のシュウ酸または燐酸を用いて陽極酸化処理する。このような陽極酸化処理を行うと、最初は凹み５１において最も陽極酸化の速度が大きいため、すなわちアルミニウムの溶出速度が大きいため、細孔６は凹み５１を中心に次第に外側へ成長する。
【００３７】
従って、陽極酸化処理を始めてすぐの段階では、細孔６の断面形状は円形である。さらに、この後、陽極酸化が進むと、細孔同士が接近し、細孔同士の距離が近い場合にはアルミニウムイオンの溶出速度が小さいため、細孔６の成長が抑えられることから、細孔６の断面形状は徐々にボロノイ図形５２に近くなってきて、細孔６が作成される。
【００３８】
図５の（ｂ）は、断面形状が正方形の細孔６を形成する場合において、徐々に細孔６が大きくなっていく様子を示す図である。同図において、凹み５１は、ＳｉＣモールド４０（ａ）の押し付けによってアルミニウム薄膜表面に転写される。細孔６は、最初に作成された凹み５１を母点として、ボロノイ図形５２に向かって矢印に従って徐々に成長する。そして、細孔６は、凹み５１から上記方法により中間層３に単一または複数の細孔６を貫通させる。
【００３９】
アルミニウム薄膜を陽極酸化法によって処理するので、中間層３は酸化アルミ（アルミナ）に変化している（少なくとも内壁面・基板表面は確実に）。アルミナは絶縁性を有するので共通電極９と表示電極１２、１５とを絶縁するための絶縁層は不用である。
【００４０】
そして、隔壁の中心に残ったアルミニウムによって細孔６は相互に電界絶縁されているので、隣接する表示電極１２、１５の境界部分で電界漏れによるにじみを生じない。
【００４１】
単一組成のアルミニウム薄膜の代わりに、後方基板１に対し垂直方向に組成比が変調するアルミニウム合金基板を用いると、合金の組成比の変化に比例して電気抵抗値や酸に対する耐性が変化するために、陽極酸化処理により生じる細孔６の径の広がり度合いが変化し、中心軸方向に径が線形に増加もしくは減少するテーパ形状（錐状）の細孔６を作成できる。そして、後述するように、細孔６をテーパ形状に形成することにより、細孔６内のプレーナ配向状態を安定化することができる。
【００４２】
膜厚方向で組成比が変化する合金薄膜は、２つのスパッタリングターゲットを配置したスパッタ蒸着装置を用いて、成膜過程で２つのスパッタリングターゲットのバイアス電圧バランスを変化させることによって形成できる。合金に利用するスパッタリングターゲットの金属種はＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ、Ｗのうちいずれでもよい。また、組成比の変化度合いを調節することで、所望のテーパ角度を得ることができる。
【００４３】
次に、細孔６内に水平配向処理剤を充填し、細孔６の内壁面に水平配向処理を施す。なお、水平配向処理剤としては、ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸ＬＰ６４（東レ（株）社製）のＮＭＰ（Ｎメチルピロリドン）とｎＢＣ（ｎブチルセロソルブ）を２：１の割合で混合した溶液にＬＰ６４を１．０重量％となるよう調整したものを用いる。その後、細孔６内に液晶８を充填し、表面に共通電極９（図１）を作成した前方基板２を配置して後方基板１上の中間層３を狭持することにより、液晶表示装置１００が形成される。
【００４４】
また、液晶８としては、２周波ネマチック液晶材料を充填する。２周波ネマチック液晶材料は、低周波電界の下では誘電異方性が正であり、高周波電界の下では負であるような材料である。
【００４５】
例えば、２周波ネマチック液晶材料であるＴＸ２Ａ液晶は、６ＫＨｚにクロスオーバー周波数を有しており、図１の共通電極９と表示電極１２、１５とによって、６ＫＨｚより低い周波数の交流電圧をある閾値以上の電圧で印加すると、正の誘電異方性により、液晶８は、細孔６の中心軸に沿って配向しようとするため、プレーナ配向状態にあればチルト配向状態に転移する。
【００４６】
また、６ＫＨｚよりも高い周波数の交流電圧をある閾値以上の電圧で印加すると、負の誘電異方性により、液晶８は、細孔６の中心軸に直行するように配向しようとするため、チルト配向状態にあればプレーナ配向状態に転移する。
【００４７】
すなわち、どちらのスイッチングにも交流電界が必要である。プレーナ配向状態→チルト配向状態では、液晶分子が電界方向に沿う（＝正の誘電異方性をもつ）必要があり、チルト配向状態→プレーナ配向状態では、液晶分子が電界方向に対し直行する（＝負の誘電異方性をもつ）必要がある。
【００４８】
そこで、プレーナ配向状態→チルト配向状態では、２周波駆動液晶が正の誘電異方性をもつ６ｋＨｚ以下の交流電界を印加し、チルト配向状態→プレーナ配向状態では、負の誘電異方性をもつ６ｋＨｚ以上の交流電界を印加する。
【００４９】
＜配向状態の安定性＞
図７はプレーナ配向状態からの電圧駆動の線図、図８は３．０ｅ６［Ｖ／ｍ］駆動による配向状態の変化の説明図、図９は４．０ｅ６［Ｖ／ｍ］駆動による配向状態の変化の説明図、図１０はチルト配向状態からの電圧駆動の線図、図１１は１．０ｅ７［Ｖ／ｍ］駆動による配向状態の変化の説明図、図１２は１．１ｅ７［Ｖ／ｍ］駆動による配向状態の変化の説明図、図１３は細孔の開口径と配向状態の関係の線図、図１４は細孔の開口径を異ならせたプレーナ配向状態からの電圧駆動の線図、図１５は断面形状が正方形の細孔におけるプレーナ配向状態の説明図、図１６は断面形状が円形の細孔におけるプレーナ配向状態の説明図、図１７は断面形状が長方形およびひし形の細孔におけるプレーナ配向状態の説明図、図１８は断面形状が正三角形の細孔におけるプレーナ配向状態の説明図、図１９は断面形状が底辺／高さ比を異ならせた三角形の細孔におけるプレーナ配向状態の説明図、図２０は不安定なプレーナ配向状態の説明図である。
【００５０】
上述のように製作された液晶表示装置１００の配向特性やスイッチング特性に関して、連続体理論に基づいた液晶配向の数値計算シミュレーションによる検討の結果について説明する。連続体理論とは、Ｌａｎｄａｕ−ｄｅ  Ｇｅｎｎｅｓの自由エネルギーやＦｒａｎｋの自由エネルギーと言った液晶分子の集合体（＝ダイレクタ）の配向状態と液晶層のエネルギーとの間の関係式による理論であって、これらの式と、弾性定数やランダウパラメータといった実験で得られる液晶のマクロ物性を利用して液晶相の動的挙動を計算できる。
【００５１】
なお、この数値計算シミュレーションによる検討では、細孔６の断面形状を円形、細孔６の内壁面の水平配向特性におけるプレチルト角を１５°として、頂角３０°のテーパ形状を持つ細孔６をモデル化した。また、実施の形態である２周波ネマチック液晶の駆動をモデル化するために、プレーナ配向状態からチルト配向状態への転移については、正の誘電異方性を持つ７ＣＢネマチック液晶を対象として計算した。チルト配向状態からプレーナ配向状態への転移については、負の誘電異方性をもつＭＢＢＡネマチック液晶を対象として計算した。つまり、プレーナ配向状態→チルト配向状態のシミュレーション計算では、誘電異方性が正の7CB液晶を、チルト配向状態→プレーナ配向状態のシミュレーション計算では、電異方性が負のMBBA液晶を対象として、スイッチングを確認している。印加電界はどちらも同じ極性で、誘電異方性が逆である。
【００５２】
まず、プレーナ配向からチルト配向へのスイッチングについて説明する。図７〜図９は、細孔６内のプレーナ配向状態の液晶８に対し、共通電極９と表示電極１２とを用いて、中間層３の厚み方向に電界をかけた際の液晶分子の配向角変化を示す図である。ここで、配向角とは、液晶分子の長軸と細孔の長軸とのなす角の平均値を指す。
【００５３】
図７に示すように、電界強度が３．０ｅ６［Ｖ／ｍ］の電界を印加した場合は、配向角は６５°から２０°付近まで下がるが、定常に達した後に電界の印加を解除（×）すると、元の６５°まで上昇してプレーナ配向状態に戻る。
【００５４】
３．０ｅ６［Ｖ／ｍ］の電界を印加した細孔６の断面内における液晶分子の配向分布のシミュレーション結果を図８に示す。図８の（ａ）は電界印加前のプレーナ配向状態、（ｂ）は電界印加中の定常状態、（ｃ）は電界解除後の定常状態である。
【００５５】
一方、電界強度が４．０ｅ６［Ｖ／ｍ］の場合は、図７に示すように、配向角が５°付近まで大きく下がり、電界の印加を解除（×）しても元に戻らず、１０°付近で定常となりチルト配向状態に転移する。
【００５６】
４．０ｅ６［Ｖ／ｍ］の電界を印加した細孔６の断面内における液晶分子の配向分布のシミュレーション結果を図９に示す。図９の（ａ）は電界印加前のプレーナ配向状態、（ｂ）は電界印加中の定常状態、（ｃ）は電界解除後の定常状態である。
【００５７】
次に、チルト配向からプレーナ配向へのスイッチングについて説明する。図１０〜図１２は、細孔６内のチルト配向状態の液晶８に対して、共通電極９と表示電極１２とを用いて、中間層３の厚み方向に交流電界をかけた際の液晶分子の配向角変化をシミュレーションした結果である。
【００５８】
図１０に示すように、電界強度が１．０ｅ７［Ｖ／ｍ］の電界を印加した場合は、配向角は１０°から７５°付近まで上昇するが、定常に達した後に電界の印加を解除（×）すると、元の１０°まで下がってチルト配向状態に戻る。
【００５９】
１．０ｅ７［Ｖ／ｍ］の電界を印加した細孔６の断面内における液晶分子の配向分布のシミュレーション結果を図１１に示す。図１１の（ａ）は電界印加前のプレーナ配向状態、（ｂ）は電界印加中の定常状態、（ｃ）は電界解除後の定常状態である。
【００６０】
一方、電界強度が１．１ｅ７［Ｖ／ｍ］の場合は、図１２に示すように、配向角が９０°付近まで大きく上がり、電界の印加を解除（×）しても元に戻らず、６５°付近で定常となる。つまり、チルト配向状態からプレーナ配向状態に転移したことになる。
【００６１】
以上により、電界の周波数によって誘電異方性の符合が変化する２周波ネマチック液晶を利用して、中間層３の厚み方向に電圧を印加する本実施形態の共通電極９と表示電極１２とによって、細孔６内の液晶８をプレーナ配向状態とチルト配向状態との間でスイッチングできることが確認された。
【００６２】
なお、シミュレーション計算では、細孔６の直径１０００ｎｍの場合を示したが、プレーナ配向状態とチルト配向状態との間のスイッチングは、この直径に限定されるものではない。図１３には細孔の直径とスイッチング配向角との関係が示され、図１４には細孔の直径を５００ｎｍとした場合のプレーナ配向状態からチルト配向状態へのスイッチング特性が示される。
【００６３】
図１３に示すように、細孔６の直径を１００ｎｍ〜１０μｍの範囲で変化させても、プレーナ配向状態、チルト配向状態それぞれの配向角はほぼ一定である。
【００６４】
一方、図７に示す直径１０００ｎｍの場合に比較して、図１４に示す直径５００ｎｍの場合は、スイッチングに要する電界強度が増し、スイッチングに要する時間は大幅に短縮される。何故なら、細孔６の口径が小さくなるほど、内壁面による液晶分子の拘束力が大きくなるので、配向状態を変化させるにはより大きな電界が必要となる。そして、応答速度が高まる原因は、電界が強くなった事と、もう一つは電界を解除した後に定常に至るまでの応答が、細孔６の口径が小さくなるほど速い点とにある。
【００６５】
以上により、透過率（中間層３の厚み）を変えずに、細孔６の直径を選択することによって、所望の閾値電界及びスイッチングスピードを得ることができる。
【００６６】
また、上記のシミュレーション計算では、細孔６の断面形状が真円の場合を示したが、プレーナ配向状態とチルト配向状態との間のスイッチングは、真円の断面形状には限定されない。図１５には細孔の断面形状が正方形の場合、図１６には細孔の断面形状が楕円形の場合、図１７には細孔の断面形状が長方形およびひし形の場合、図１８、図１９には細孔の断面形状が三角形の場合について、それぞれのシミュレーション結果が示される。
【００６７】
図８に示すように、細孔６の断面形状が真円の場合はプレーナ配向状態の断面面内方向は定まらないが、細孔６の断面形状が正方形の場合は、図１７に示すように、プレーナ配向状態の断面面内方向は、対向する辺と直角な２方向に限定される。
【００６８】
また、プレーナ配向状態の断面面内方向が複数通りある円形、正方形に対して、アスペクト比（長軸／短軸比）を１としない楕円形、長方形、ひし形の断面形状では、図１６、図１７に示すように、プレーナ配向状態の断面面内方向を１方向に限定できる。図１６に示すように、細孔６の断面形状が楕円形の場合、プレーナ配向状態の断面面内方向は長軸方向となる。図１７の（ａ）に示すように、細孔６の断面形状が長方形の場合、プレーナ配向状態の断面面内方向は長辺方向となる。図１７の（ｂ）に示すように、細孔６の断面形状がひし形の場合、プレーナ配向状態の断面面内方向は長い対角線の方向となる。
【００６９】
なお、アスペクト比は、長方形の長辺と短辺との比、楕円の長軸と短軸の比を表しており、陽極酸化法による細孔６の形成において、突起の縦方向の間隔と横方向の間隔とをずらせば、アスペクト比が１ではない細孔６が形成される。
【００７０】
一方、正三角形の場合は、図１８に示すように、中央にディスクリネーションが生じることで、コーナーごとの３つの配向方向が共存した状態を得ることができる。さらに三角形のアスペクト比を変えることで、図１９に示すように、３つの配向方向の共存のバランスを変えることができる。
【００７１】
以上により、プレーナ配向の様々な面内配向状態を得るために、細孔６の断面形状を円形や楕円形、多角形等、任意に選択できる。
【００７２】
また、上記のシミュレーション計算では、細孔６のテーパ形状を頂角３０°の錐状としていたが、プレーナ配向状態とチルト配向状態との間のスイッチングは、頂角３０°の錐状のテーパ形状には限定されない。
【００７３】
ただし、頂角が０°の完全な柱状である場合、チルト配向からプレーナ配向へのスイッチングの際に、図２０に示すように、全ての液晶分子が同一方向に回転する方向に付勢された状態を取り得る可能性が少し高まる。この場合、電界の印加を解除すると、全ての液晶分子が同一方向に回転して、元のチルト配向に戻ってしまう。そのため、細孔６には有限の頂角を与えることが望ましい。
【００７４】
＜比較例の細孔＞
図２１は比較例の細孔における液晶の擬似プレーナ配向状態の説明図、図２２は比較例の細孔における液晶の擬似チルト配向状態の説明図である。
【００７５】
図２１に示すように、特許文献１に示される中間層のキャビティ（細孔）６Ｄは、内壁面６Ｅから液晶分子が垂直に起立するような配向処理が内壁面６Ｅに施されている。従って、円筒形のキャビティ６Ｄ内の液晶分子は、キャビティ６Ｄの内壁面６Ｅに近づくほど、キャビティ６Ｄ断面の半径方向に配向し、キャビティ６Ｄの中心軸に近づくほどキャビティ６Ｄの中心軸に沿うように配向する。このような擬似プレーナ配向状態に、キャビティ６Ｄの中心軸方向の電界を与えると、液晶分子が正の誘電異方性を持つ場合には、図２２に示すように、多くの液晶分子がキャビティ６Ｄの中心軸に沿うように配向して擬似チルト配向状態となり、画素の透過率が変化する。
【００７６】
しかし、図２２に示す擬似チルト配向状態は、図２１に示す擬似プレーナ配向状態へ向かって戻ろうとする液晶分子を電界で付勢して、擬似チルト配向状態に保持しているので、電界を解除すると、速やかに擬似プレーナ配向状態に復帰する。つまり、擬似チルト配向状態による所望の透過率を持続させるためには、キャビティ６Ｄ内に軸方向の電界を与え続けなければならず、消費電力が大きいという問題がある。
【００７７】
＜発明との対応＞
本実施形態の液晶表示装置１００は、多数の細孔６を有する中間層３と、中間層３を挟んで配置された一対の後方基板１、前方基板２と、中間層３の厚み方向に対向して細孔６内の空間に電界を形成する共通電極９、表示電極１２と、細孔６に充填された液晶とを備える。そして、細孔６の内壁面は、細孔６の内壁面に沿って液晶分子の長軸方向を回転可能としつつ液晶分子を内壁面に拘束する表面性状を有し、共通電極９、表示電極１２に交流電圧信号を印加して、細孔６内の空間に中間層３の厚み方向の交流電界を形成する制御部２０を備える。
【００７８】
従って、細孔６内の空間では、界面の液晶分子が細孔６の内壁面に吸着されて側部を内壁面に沿わせており、液晶分子が内壁面に寝た状態のまま、共通電極９、表示電極１２間の電圧極性に応答して長軸方向を３６０度回転できる。そして、細孔６内の液晶空間では、内壁面で寝た界面の液晶分子に繋がる液晶分子が界面の液晶分子を引き摺って回転させて、その長軸方向を制御している。
【００７９】
従って、共通電極９、表示電極１２に直流電圧や低い周波数の交流電圧を印加した場合、細孔６内の液晶空間には、電圧極性に応答して中間層３の厚み方向に向きを揃えた液晶分子の配向状態が形成される。この配向状態は、界面を含めた液晶空間の液晶分子間にストレスを発生することなく形成されているので、共通電極９、表示電極１２間の電圧を解除しても配向状態がそのまま保持され、液晶空間によって表示される階調も変化しない。
【００８０】
一方、細孔６内の液晶分子が追従できないような高い周波数の交流電圧を印加すると、細孔６の貫通方向と垂直な方向に配位しつつ、液晶分子が振動して、界面を含めた液晶空間の応力状態が最低となるような方向に相互の位置関係と姿勢を変化させる。これにより、結果的に、液晶分子を細孔６の横断方向に繋ぎ合わせて、細孔６の貫通方向に配位した内壁面の液晶分子によって錨付けされた配向状態が形成される。この配向状態もまた、界面を含めた液晶空間の液晶分子間に、別の配位へ向かうようなストレスを発生することなく形成されているので、共通電極９、表示電極１２間の電圧を解除しても配向状態がそのまま保持され、液晶空間によって表示される階調も変化しない。
【００８１】
本実施形態の液晶表示装置１００は、制御部２０が、交流電圧信号を印加した後に共通電極９、表示電極１２の電位差を等しくする。従って、次回の書き込みまで電力消費無し、電圧保持無しで、画素の表示階調を維持できる。
【００８２】
本実施形態の液晶表示装置１００は、制御部２０が、６ｋＨｚを越える周波数の交流電圧信号と、６ｋＨｚに満たない周波数の交流電圧信号とを共通電極９、表示電極１２に印加する。従って、６ｋＨｚを越える周波数の交流電圧信号によるプレーナ配向状態の階調と、６ｋＨｚに満たない周波数の交流電圧信号によるチルト配向状態の階調とを画素１１に表示できる。
【００８３】
また、直流電圧を用いた場合、プレーナ配向状態とチルト配向状態とのスイッチングにおいて、どちらか一方向のスイッチングには必ず細孔６の横断方向の電界を発生させる必要があるが、本発明では交流電圧信号の周波数だけでプレーナ配向状態とチルト配向状態とのスイッチングを行うので、細孔６の横断方向の電界を発生するための横断方向に対向させた一対の電極、その配線、そのドライバ、その信号回路等が不要である。
【００８４】
また、細孔６内の液晶８に交流電圧信号を印加するので、直流電圧の場合に比べ、交流電界による液晶分子の回転と振動とによって液晶８が攪拌され、液晶８中の局所的な液晶分子の反転、傾き、密度差、応力状態等を高度に除去した安定性の高い配向状態が得られる。
【００８５】
本実施形態の液晶表示装置１００は、多数の細孔６が形成された中間層３と、中間層３を挟んで配置された一対の後方基板１、前方基板２と、細孔６に充填された液晶８とを備える。そして、細孔６の内壁面は、細孔６の内壁面に沿って液晶分子の長軸方向を回転可能としつつ液晶分子を内壁面に拘束する表面性状を有する。
【００８６】
従って、細孔６内の液晶８がプレーナ配向状態とチルト配向状態とで安定して、電界を解除しても画素１１の階調表示が維持される。これにより、画素表示のメモリ性を活用した種々の実施形態、例えば、共通電極９、表示電極１２の代わりに、細孔６の液晶８に中間層３の厚み方向の電界を印加する電極を偏光板４、５の外側に配置して、画素１１、１４と相対移動させつつ階調書き込みを行う実施形態も可能である。
【００８７】
本実施形態の液晶表示装置１００は、細孔６が、円形、楕円形、または多角形の開口を有して、中間層３を厚み方向に貫通している。従って、細孔６は、本実施形態で説明した金属以外の材料、陽極酸化法以外の各種方法、例えば、感光性アクリル樹脂を用いた紫外線によるパターン露光によって、画素ごとの液晶空間を仕切る隔壁を形成する方法等によっても作製可能である。
【００８８】
本実施形態の液晶表示装置１００における細孔６は、開口の縦横比率を異ならせ、後方基板１の平面の１つの方向に長径方向を揃えて形成されていてもよい。これにより、すべての細孔６の液晶が書き込みに応じた等しい配行方向となり、偏光板４、５を通じた細孔６ごとの階調が等しくなるとともに、観察角が違っても細孔６ごとの階調がばらつかない。
【００８９】
本実施形態の液晶表示装置１００における細孔６は、観察側の開口面積を反対側の開口面積よりも大きくして、中間層３の厚み方向のテーパ形状を有することが望ましい。テーパ形状によって、図２０に示されるような不安定なプレーナ配行状態の発生を回避できるからである。
【００９０】
本実施形態の液晶表示装置１００は、液晶分子の長軸方向を内壁面に沿って回転可能にしつつ液晶分子を吸着する内壁面を有する細孔６に液晶８を充填し、液晶８に対して細孔６の貫通方向に交流電界を印加している。そして、交流電界の周波数によって細孔６内の液晶分子をチルト配向状態とプレーナ配行状態とに切り換えることにより、液晶８を用いた白黒二階調の表示を行う。
従って、同じ一対の電極を用いて二つの安定な配向状態を形成でき、電界解除後も階調を安定に保持できる。
【００９１】
本実施形態の液晶表示装置１００は、透明電極が形成された透明基板上に金属薄膜層を形成する中間層３形成工程と、前記金属薄膜層の表面に多数の窪みを形成して陽極酸化処理を行うことにより、前記窪みごとの貫通孔を形成する中間層３成形工程と、前記貫通孔の内壁面に水平配向処理剤を塗布する中間層３処理工程とを備える。従って、パターン露光等の方法に比較してはるかに小さな（サブミクロン）口径の細孔６を形成して、画素１１に対する書き込みの応答性や階調表示の安定性（耐久電圧）を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本実施形態の液晶表示装置における断面構成の説明図である。
【図２】交流電圧駆動の説明図である。
【図３】高周波数の交流電圧信号印加時の配向状態の説明図である。
【図４】低周波数の交流電圧印加時の配向状態の説明図である。
【図５】正方形断面の細孔を有する中間層の製造方法の説明図である。
【図６】別の断面形状の細孔の作製方法の説明図である。
【図７】プレーナ配向状態からの電圧駆動の線図である。
【図８】３．０ｅ６［Ｖ／ｍ］駆動による配向状態の変化の説明図である。
【図９】４．０ｅ６［Ｖ／ｍ］駆動による配向状態の変化の説明図である。
【図１０】チルト配向状態からの電圧駆動の線図である。
【図１１】１．０ｅ７［Ｖ／ｍ］駆動による配向状態の変化の説明図である。
【図１２】１．１ｅ７［Ｖ／ｍ］駆動による配向状態の変化の説明図である。
【図１３】細孔の開口径と配向状態の関係の線図である。
【図１４】細孔の開口径を異ならせたプレーナ配向状態からの電圧駆動の線図である。
【図１５】断面形状が正方形の細孔におけるプレーナ配向状態の説明図である。
【図１６】断面形状が楕円形の細孔におけるプレーナ配向状態の説明図である。
【図１７】断面形状が長方形およびひし形の細孔におけるプレーナ配向状態の説明図である。
【図１８】断面形状が正三角形の細孔におけるプレーナ配向状態の説明図である。
【図１９】断面形状が底辺／高さ比を異ならせた三角形の細孔におけるプレーナ配向状態の説明図である。
【図２０】不安定なプレーナ配向状態の説明図である。
【図２１】比較例の細孔における液晶の擬似プレーナ配向状態の説明図である。
【図２２】比較例の細孔における液晶の擬似チルト配向状態の説明図である。
【符号の説明】
【００９３】
１、２  封止基板（後方基板、前方基板）
３  中間層
４、５  偏光板
６  細孔
８  液晶
９、１２、１５  一対の電極（共通電極、表示電極、表示電極）
１３、１６  スイッチング素子
２０  制御部
１００  液晶表示装置
【図１】
2007114623.tif 000003
【図２】
2007114623.tif 000004
【図３】
2007114623.tif 000005
【図４】
2007114623.tif 000006
【図５】
2007114623.tif 000007
【図６】
2007114623.tif 000008
【図７】
2007114623.tif 000009
【図８】
2007114623.tif 000010
【図９】
2007114623.tif 000011
【図１０】
2007114623.tif 000012
【図１１】
2007114623.tif 000013
【図１２】
2007114623.tif 000014
【図１３】
2007114623.tif 000015
【図１４】
2007114623.tif 000016
【図１５】
2007114623.tif 000017
【図１６】
2007114623.tif 000018
【図１７】
2007114623.tif 000019
【図１８】
2007114623.tif 000020
【図１９】
2007114623.tif 000021
【図２０】
2007114623.tif 000022
【図２１】
2007114623.tif 000023
【図２２】
2007114623.tif 000024